（流体机械及工程专业论文）旋转叶轮式动态水力旋流器的性能研究.pdf

大连理f 大学硕士学位论文 摘要 油田采出液含有大量的细砂严重的影响了集输系统，目前除砂使用的设备多为沉降 槽，离心机和旋流器。但各自的不足也在使用过程中暴露出来，因此开发一种更为适合 的分离设备是十分必要的。 本文自行设计了三种结构的旋转叶轮式动态水力旋流器以及旋转叶轮式动态水力 旋流器性能的测试系统，对实验样机进行了系统的实验测试和理论分析。实验中，测试 并分析了电机转速、分流比和进口流量等参数对三种实验样机压力损失和分离效率的影 响。结果表明，电机转速越高，离心强度越大，分离效果越好，但同时溢流压降也在增 加；加大分流比也可以有效的提高分离效率，并且对设备压降的影响较小；进口流量的增 加，对分离效率的影响较小，但会引起溢流和底流压降的增加。运用正交实验的方法得 出了对于影响分离效率和压力损失各园素的主次关系，影响分离效率各因素主次关系 是：电机转速，分流比，进口流量：影响压力损失各因素主次关系是：电机转速，进口 流量和分流比。旋转叶轮式动态水力旋流器与普通旋流器相比具有，分离效率高，压力 损失小，不受流量变化的影响等特点。 本文通过对三种实验样机实验结果的对比得出，直筒直板型动态水力旋流器的分离 效率最高，其次是直筒涡轮型动态水力旋流器、锥简直板型动态水力旋流器。对于实验 样机压力损失情况对比得出，锥筒直板型动态水力旋流器的压力损失最小，其次为直筒 涡轮型动态水力旋流器，直筒直板型动态水力旋流器。 本文对三种实验样机模型进行简化，建立了稳态流动的n s 方程和连续方程，得出 了三种实验样机内部流场的基本信息。模拟结果表明，实验样机内部具有较高的切向速 度可达1 4 1 5 n l s ，产生的离心强度约为普通旋流器的5 1 0 倍。通过实验数据与模拟 结果的对比证明所建立的数学模型比较准确，能够正确的反映流场信息。在对三种实验 样机性能综合分析的基础上，利用所建立的数学模型，对旋转叶轮式动态水力旋流器提 出了进一步的改进方案。 本文对旋转叶轮式动态水力旋流器溢流产生压降的机理进行了分析，得出旋转叶轮 式动态水力旋流器内部准强制涡的存在是产生溢流压降的主要原因，并可以通过增大溢 流管直径或加入阻涡器来自4 弱或破坏准强制涡，从而减小溢流压降。 本文所研究的旋转叶轮式动态水力旋流器具有离心强度大，分离效果好，压力损失 小，不易堵塞，适于工业放大等优点，在过程工业中有较好的应用前景和商业价值。 关键词；水力旋流器；离心机；数值模拟；实验研究 旋转叶轮式动态水力旋流器的性能研究 p e r f o 咖a n c er e s e a r c ho fi m p e l l e rd ”a m i ch y d m c y c i o n e a b s t r a c t c r u d eo i lc o n t a i n sa1 0 to ff i n es a n dw h i c hh a s i m p a c to nt l l eg a t l l e r i n ga r l d 胁s p o r t a t i o ns y s t e ms e r i o u s l y t h ee q u i p m e n t su s e df o rd e s a n d i n ga r es e t e m e n tp o o l ， c e m r i m g e sa 1 1 dh y d r o c y c l o n e h o w e v e r ，l a c k so f m e mw e r ea l s oe x p o s e d ，s om ed e v e l o p m 舶t o f m o r ea p p r o p r i a t es 印a r a t i o ne q 伍p m e mi sn e c e s s a r y 1 1 1 i sp a p e rd e s i 弘si 珈【p e l l c rd y n a m i ch y d r o c ”l o n e sa n dt h ep e m 啪a n c e t e s t i n gs y s t e m s o fh y d r o c y c l o n e s nd o e s s y s 衄n a t i ce x p 嘶m e n t a l 慨t sa 1 1 d t 1 1 e o r e t i c a la n a l y s e st o h y d r o c y c l o n e s i nt l l ee x p e r i m e 咄i tt e 连sa 1 1 da 1 1 a l y s e s l ei m p a c to fm o t o rs p e e d ，s p l i t 洲o ， f e e dn u xa n do m e rp a r a m 咖so np r e s s u r el o s sa n ds e p 撇t i o ne f n c i e n c yo ft l l l 优d y n a l n i c h y d r oc y c l o n e s t h er e s u l ts h o w st 1 1 a tt l l e1 1 i g h e rn l em o t o rs p e e d ，t h eb i g g e rt h ec e n 伍如g a l 蛐旧n 垂h ，t l l eb e n 盯t l l es 印a r a t i o ne f f 宅乩b u t 协eo v e r f l o wp r e s s u r ed r o pi so n 也ei n c r e a s ea t t l l es a m et i m e h i 曲e rs p l “m t i oc a ne 疏c t i v e l yi 瑚p r o v et h es 印a r a 石o ne 伍c i e n c y 州t l 】l e s s i m p a c to np i _ e s s u r ed r o p t h ei n c r e a s eo ff e e df l u xh a s1 e s se f f 宅c to nt l l es e p a 阳t i o ne f 五c i e n c y ， b u tt h ep r e s s u r ed r o po fo v e r f l o w 锄du n d e r f l o wa r ei n c r e a s i n g t h r o u 曲o n h o g o n a l 锄a l y s i s ， 血ep f i m a r ye f r e c tf a c t o ro ns e p a m t i o ne 笳c i e n c yi sm o t o rs p e e d ，f o l l o w e db yt h cs p l i tr a t i o a i l df c e dn u x t h ep r i m a r ) ，抽n u e m i a lf a c t o ro np r e s s u r ed r o pi sm o t o r s p e ed ，f o l i o w e db yt h e f e e df l u xa n ds p l i tm t i o c o m p a r c d 、i t ho r d i n a r yh y d r o c y c l o n e ， i m p e l l e rd y n 锄i c h y d r o c y c l o n eh a sm 曲e rs 印删i o ne 伍c i e n c y ，b i g g e rf b e dn u ) 砌g ea i l ds m a 】l e rp r e s s u r e d 】_ o p b a s e do nm ee x p e r i m e n t a lr e s l l l t s ，i tc a nb eo b t a j n e dt l l a tt l l en a t - v a n ec y l i n d e rd y n 锄i c h y d i o c y c l o n eh a v et h e1 1 i 曲e s ts e p 锄t i o ne 岱c i e n c y ，f o l l o w c db yt l l ev o r t e x i b o a r dc y l i n d e r d y n 眦i ch y d r o c y c l o n ea i l dn a t v a i l ec o n ed ”锄i ch y d l c ”l o n e c o m p a r e d 、i t l lm er e s u l t s o fe x p e r i m e n t a lp r o t o t y p el o s so fp r c s s u r e ，n a t - v 柚ec o n ed y n 踟i ch y d r o c y c l o n eh a v et 1 1 e 锄a l l e s tp r e s s u r ed m p ，f o l l o w e db yh cv o n e x b o a r dc y l i n d e rd y n 锄i ch y d r o c y c l o n ea n dt h e f l a t - v a i l ec y l i d e rd y n 锄i ch y d | o c y c l o n e h a v i n gs i m p l 罐e dt 1 1 et l l r e es o no fc x p 商m e n t a lp r o t o t y p em o d e l s 柚de s 协b l i s h e dn s o q u a t i o n s 姐dc o n t i n u o u se q u a t i o n ，lg e tt h eb a s i ci n f o 彻a t i o no ft h ei 皿e rn o w i ti ss h o w n b yt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt l l ef l o wi nm ch p e l l e rd y i l a m i ch y d r o c y c l o n eh a sah i 曲 t a n g e n t i a lv e l o c i t ya b o u t1 4 1 5 m ，s ，a n dt h ec e n t f i 血g a lf o r c ei s5 1 0t i m e sb 蟾g e rt 1 1 a nt l e o r d i n a r yh y d r o c y c l o n e c o m p a r e d 谢t ht h ee x p c r i m c n t a ld a t aa i l dt h es i m u l a t i o nr e s u 】t s ，i t c a nb ep r o v e dt l l a tt h em a t h e m a t i cm o d e li s 印p r o p r i a t ef o rt h i s p r o b l e m b a s e do nt h e 锄a l y s i so ft l l em r e es o r to fe x p e f i m e n t a ip m t o t y p em o d e l s c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e sa 1 1 d 大连理工大学硕士学位论文 u t i l i z i n g m em a t h e m a t i cm o d e l e s t a b i i s h e d ， t l l e i m p r o v e m e n ts c h e m e o fd y i l a m i c h y d l c y c l o n eh a sb e e ng i v e n ， t oa n a l y z et h er e a s o no fo v e r n o wp r c s s u r ed 1 o po b t a i nt 1 1 a t 协ef o r c ev o r t c xi st h e p r i m a r ) rr e a s o no fo v e r f l o wp r c s s u r ed m p nc a i lb ec o n n d l l e db ye n l a r g i n gt h ed i 锄e t e ro f v o r t e xn n d e ro rs e t t i n gt l l ed i f 如s e ri i lo r d c rt ow e a k e nm l dd i i t l i n a t e 也ef o r c ev o r t e x t h ei m p e l l e rd y n 锄i ch y d r o c y c l o n eh 船ab i g g e rc e i 溉f 岖a lf o r c e ，h i 曲e rs e p a r a t i o n e m c i e n c y 锄a l l e rp r e s s l l 】他d r o p 锄do nc l o g 西n g t h e r e f o r ei tm u s th a v eg o o dp r o s p e c t sa l l d t h eh i g hv a l u eo f c o m m e r c i a la p p l i c a t i o n 。 k e yw o r d s ：h y d r o c y c l o 船；c e n t r i 如g e ；s i m l l l a t i o n ；e x p e r i m e n tr e s e a r c h 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 尘超 日期：龇么 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 尘起 导师签名：五垒l 釜班 遄年月丰日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 在工业生产中两相流动或者多相流动是十分常见的，两相分离也是人们常遇到的问 题，也是人们研究的重点。本文针对两相分离中的固液分离进行了一定的研究，通过诸 多方法的比较，提出了新型结构的动态水力旋流器。 1 1固液分离方法 固液分离过程i lj 从其原理上说，主要分为两大类：其一为流体受限制，固体颗粒在 流动的过程，包括浮选、重力沉降和离心沉降等操作。其二为固体颗粒受限制，液体在 流动的过程，包括滤饼过滤深沉过滤和筛滤等操作。 浮选：浮选是在悬浮液内释放出足够的空气( 或其他气体) ，并以气泡形式粘附在 固体颗粒表面，使颗粒在浮力的作用上升到液面从而将其分离。产生气泡的方法有分散 法，溶入法和电解法等由此形成不同的浮选操作。 沉降：重力沉降是借助重力作用分离固液混合物的过程。分离后的底流中含有高浓 度的固体，而溢流中则基本是清液，这种分离过程的必要前提是固体颗粒和悬浮液之间 有密度差。离心沉降是在离心力场下进行的沉降分离过程。在离心力场下，固体颗粒在 旋转时受到的作用力可以远远超过重力，因此对那些在重力场中不能分离的微粒和乳浊 液特别有效。用于离心沉降的装置一种是装置本身不转动，料液在装置内部转动，达到 分离效果，如旋流器；另一种是机器转动带动内部料液转动从而达到分离效果，如沉降 式离心机。 过滤：滤饼过滤有一个形成的过程，开始阶段是由过滤介质的截留作用使固液分离， 然后滤饼逐步形成，最后过滤介质只起到支撑的作用。深层过滤是处理固体颗粒浓度相 当低时所采用的一种方法，深层过滤器一般采用堆积的多层矿粒或焦炭颗粒中的大量孔 隙来捕集固体微粒。所捕集的微粒粒度要远小于孔隙尺寸。滤芯式过滤器是由容易更换 的滤芯组装而成，颗粒杂质会截留在滤芯的孔隙中，一段时间需要更换滤芯，滤芯由不 同的材质做成，从机理上讲很难说是滤饼过滤还是深层过滤，但一般认为是深层过滤。 复合技术【2 】在固液分离中，已经越来越多的应用，种类也很多，下面就简单介绍几 种：如美国的j v 印压滤机，就是将蒸发、真空技术结合在板框压滤机上，特点就是滤 饼水分几乎达到干燥水平，可在5 5 9 9 固体含量范围内选择；l a r o x 和s c h e i b l e r 两 个公司利用微米和亚微米颗粒能够附着在过滤介质的纤维上的吸附现象，来提高过滤效 果，滤液中固体颗粒含量仅有百万分之几；l o c k c h a n 和b u i j s 先后提出将电场引入过滤 过程，其作用是：颗粒在电场作用下的电泳和液体在电场作用下的电渗，以及电流使浆 旋转叶轮式动态水力旋流器的性能研究 液的温度升高，粘度降低等。这种方法可以将滤饼含固率由2 0 提高到4 0 ，缺点就是 能耗大；h y d r o n o w 公司在离心过滤机中采用滤芯可以提高去除为细颗粒的能力；美国 的h e i i d ( e l 公司推出的加压过滤离心机的离心力可到2 0 0 0 9 ，特点是设备尺寸小、工作 周期短、能耗低；h u r r i c a n e 离心机过滤器的结构与旋流器相似，液流切向进入离心机的 外室，较重颗粒在离心力的作用下沉降至器底，较轻的颗粒会被滤芯过滤，清夜通过滤 芯后排出。 1 2 水力旋流器简介 水力旋流器是离心分离设备的一种，它是在离心力的作用下根据两相或多相之间的 密度差来实现两相或多相分离的。由于离心力场的强度较重力场大得多，因此水力旋流 器比重力分离设备的分离效率要大得多【3 1 。自从1 8 9 1 年，b r e t n e y 【4 】就在美国申请了第一 个水力旋流器的专利，1 9 1 4 年水力旋流器正式应用在与磷肥的工业生产。直到2 0 世界 3 0 年代后期，水力旋流器才以商品的形式出现，用于纸浆工业中水处理。2 0 世纪6 0 年 代以后，人们开始将水力旋流器用于其他更广泛的工业领域【5 】，主要的有矿冶行业中的 颗粒分级、矿物质回收与水处理，化学工业中液液萃取、固液滤取、结晶，空间技术中 的零重力场分离，机械加工行业中回收润滑油及贵重金属，电子工业中回收稀有金属， 生物化学工程中的酶、微生物的回收，食品与发酵工业中的淀粉，果汁、酵母等与水的 分离，石油工业中的油水分离、油水气分离与油水泥分离等。目前，水力旋流器已经在 广泛的领域内被认同，而且应用领域正在越来越多。2 0 世纪7 0 年代中期，英国 s o u 也锄p t o n 大学的mtt 1 1 e w 在英国的科学研究委员会、英国国家研究发展公司与英 国石油公司的合力资助与支持下，开始对液液水力旋流器进行研究，并于1 9 7 8 年率先 提出了液液旋流分离的第一种芯管结构即a 型旋流管并获英国专利【6 ，7 1 。1 9 8 3 年该旋流 管开始产品化，同年在澳大利亚的一个海上平台应用。随后s o u t h 锄p t o n 大学的研究工 作，得到更多工业部门的重视和资助。在此条件下，他们除不断发展和完善含油污水的 静态旋流分离技术外，还努力开拓液液旋流分离技术应用的新领域，并相继在高含水 原油的旋流预分离及低含水原油的旋流脱水净化方面取得了进展。继英国s o u t h 锄p t o n 大学之后，法国的t o t a lc e p 和n e y r t e c 联合对静态旋流分离技术又进行了发展，并 于1 9 8 6 年开发成功了用于含油污水净化处理的动态旋流分离技术，现该机构又转向原 油动态旋油脱水技术的开发研究【8 j 。 对于静态水力旋流器的研究目前发展趋势：在规格上两极化，一是大直径旋流器的 研究，另一个是小直径超细颗粒旋流器的研究【9 j 。英国的萨拉公司生产出直径2 0 3 2 m m 的旋流器，并在研制更大直径的旋流器。张士瑞，薛敦松等【1 0 川人对微型固液旋流器进 大连理工大学硕士学位论文 行研究，在分离超细催化剂颗粒的分离取得的一定的成果；在用途上都样化，李中，袁 惠新等【1 2 ，1 3 1 通过对旋流传递现象的研究，提出了旋流反应器，旋流吸收器和旋流萃取器， 大大的扩展了旋流器的应用范围。 1 2 1水力旋流器的结构及工作原理 渣 图1 1水力旋流器的工作原理 f i 9 1 1h y d r o c y c l o n e 水力旋流器主要由切向入口，旋流器的直筒段，旋流器锥段、底流口和溢流口组成。 主要的入口形式单切向入口，双切向入口。根据旋流器直筒段的长短可分为，长柱型、 短柱型和全柱型。按照锥角的大小，可以分为长锥形和短锥形，长锥形型其特点是圆锥 角较小( 一般小于2 5 。) 这种结构的水力旋流器在工业上应用最广泛，适用于要求较高的 液体澄清或悬浮液浓缩的情况。短锥型其特点是圆锥角较大( 大于2 5 。) 这种结构的水力 旋流器主要用于对固相颗粒的分类或分选上。 旋流器的工作原理是使待分液体从切向入口进入，让其产生一定的切向速度，在旋 流腔内形成涡流运动。物料先经过旋流器的直筒段，然后进入锥段，在这里物料得到强 大的加速度。物料中不同密度的组分开始分离，随着锥段半径的逐渐缩小，截面面积的 减小，中心部分的轻组分将形成反流，并保持原有的转动方向，最后由顶部的溢流口排 出，形成图中所示的内旋流；而外侧的液体会继续向底流口运动，最终从底流口排出， 在其运动的整个过程就形成了外旋流。 对于旋流器分离机理的研究目前为止还不是很明确，这一点也是旋流器研究的重 点。d r i e s s e n 【1 4 】于1 9 5 1 年提出的平衡轨道理论、硒e t e m a 【1 5 j 于1 9 6 1 年提出的停留时间理 论、f 枷s t r o m 【1 6 】于1 9 6 0 年提出的底流拥挤理论和湍流两相流理论、王光风【1 7 ，1 8 j 推导出 旋转叶轮式动态水力旋流器的性能研究 来的内旋流分离模型、溢流理论及分离过程随机性。这些物理模型支撑了旋流器的发展 过程。 1 2 2 水力旋流器的特点 ( 1 ) 结构紧凑，体积小。这是由于离心力场远大于重力场，所以在料液处理量相同 的情况下，物料在水力旋流器中所需的停留时间远小于在重力分离设备中进行时所需要 的停留时间，另外，由于离心力场基本上不受重力场的影响，因此，水力旋流器可根据 空间需要采用立式安装或卧式安装。 ( 2 ) 质量轻。由于带分物料在水力旋流器中停留的时间很短，所以旋流器分离系统 中积累的物料量及相应的设备质量大大地减轻。与传统的分离设备相比采用旋流器系统 后油水分离系统的质量降到采用重力分离系统的1 5 1 6 。 ( 3 ) 易于设计、安装。静态水力旋流器可以模块化单元的方式进行设计、组装，当 处理量增加或减少时，可以随时增减旋流器的个数，而且由于旋流器的体积小、质量轻， 在现场可以方便的吊装。 ( 4 ) 需要的系统配件少。静态水力旋流器没有转动部件，实现两相分离所需要的能 量只是进口处的压力，除了进料泵外，整个分离系统不需配备其他机械及其相关的连接 配件。 ( 5 ) 维修费用低。由于没有转动部件基本上不需维护，虽然料液中的固体颗粒有可 能磨损旋流器的衬里，但实践证明旋流器的使用寿命一般都在5 年以上。 ( 6 ) 易于调节与控制。 静态水力旋流器的使用受到许多局限 ( 1 ) 处理能力变化范围小。对于每台旋流器来说其处理量只有在很小的变化范围内 才能有较好的分离效果，进液量过小，分离强度达不到；进液量过大，混合液体又得不 到充分分离。， ( 2 ) 混合液体的浓度变化不易过大。对于特定的静态水力旋流器其最佳的操作参数 就已经固定，液体浓度的变化会使分离效果变差。 ( 3 ) 需要足够的入口压力。静态水力旋流器内离心场的形成，是利用牺牲压力而获 得的，因此静态水力旋流器正常工作需要有较高的入口压力，这是它的应用受到了很大 的限制i l 引。 ( 4 ) 由于旋流器内流体的流动产生一定的剪切作用，如果对于液液参数设计不当， 容易将液滴( 油滴或水滴) 打碎乳化而恶化分离过程【2 0 】。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 离心机 离心分离是利用离心力对液固、液液固、液液等非均相混合物进行分离的过程。 实现离心分离操作的机械称为离心机。离心机【2 l 刀】基本上属于后处理设备，主要应用于脱 水、浓缩、分离、澄清及固体颗粒分级等工艺过程。离心机和其他分离机械相比，不仅能 得到含湿量低的固相和高纯度的液相，而且具有节省劳力、减轻劳动强度、改善劳动条件， 并具有连续运转、自动控制、操作安全可靠和占地面积小等优点。因此，自1 8 3 6 年第 一台工业用三足式离心机在德国问世，迄今一百多年以来已获得很大的发展。从离心机 的发展史来看，离心机是随着现代工业的不断进步和发展而产生的。1 8 世纪产业革命后， 随着纺织工业的迅速发展，1 8 3 6 年出现了棉布脱水机。1 8 7 7 年为了适应乳酪加工工业 的需要，发明了用于分离牛奶的分离机。进入2 0 世纪后，随着石油综合利用的发展，要 求把水、固体杂质、焦油状物料等除去，以便使重油当作燃料油使用，5 0 年代研制成功 了自动排渣的碟式活塞排渣分离机，到6 0 年代发展成完善的系列产品。随着近代环境 保护、三废治理发展的需要，对于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高，因此促使卧 螺离心机、碟式分离机和三足式下部卸料离心机的进一步发展。特别是卧式螺旋卸料沉 降离心机的发展尤为迅速。随着国民经济各行业的不断发展，各种类型的离心机也在不 断地更新换代，而且各种新型离心机也在不断涌现。现在离心机已广泛用于化工、石油 化工、轻工、医药、食品、纺织、冶金、煤炭、选矿、军工、船舶等各个领域。离心机 的结构、品种及其应用等方面发展很为迅速，但从目前来看，理论研究落后于实践是个 长期存在的问题。目前在理论方面所获得的知识，主要还是用来说明试验结果，而在预 测机器性能、选型以及设计计算要凭借经验和试验。 国外在离心机的制造和研究方面走在我国的前面，尤其式西欧发达国家。比如较早 进入中国市场的瑞典的阿法拉伐( a l f a l a v a l ) 、德国维斯伐利亚( w e s t f a l i a ) 、福乐伟 ( f l o t t 、e g ) 、洪堡( h u m b o l d t ) 、意大利的贝亚雷斯( p i e r a l i s i ) 、日本巴工业公司等，他们的 产品在我国的离心机市场占有很大的份额。由于他们起步较早，他们在离心机设计制造 方面依托相对完善的离心理论，利用有先进的制造技术和生产工艺、材料选型、加工设 备来制造出离心分离设备，固其产品性能从全局上来说是优于我国生产的离心机的。 1 3 1 螺旋卸料沉降离心机 螺旋离心机自上世纪五十年代初问世以来，由于它具有分离因数高，能实现悬浮液 的脱水、澄清、分组级过程，对分离物料的适应性强，单位生产能力的功耗低等特点， 普遍的使用于化工、食品、制药、环保及其相关领域【2 3 1 。特别是石油化工、化纤及近代 旋转叫轮式动态水力旋流器的性能研究 环境保护、三废治理的发展对1 ：业废水处理需求，促使离螺旋离心机迅速发展，在较短 的时| 、口j 内，多品种、多却格的螺旋离心机在询：多1 ：业领域得到应用。 螺旋沉降离心机有立式和卧式两种结构、常 j 卧式结构，转鼓可以是锥筒或锥筒、 圆通组合型1 2 4 i 。 悬浮液经由分离机中心固定的入料管进入螺旋卸料沉降离心机的螺旋内筒后，再经 内筒的加料孔进入转鼓，在这里悬浮液将获得近似= 二转鼓的旋转速度，固相颗粒在离心 力场的作用下沉降在转鼓侧壁上，并被螺旋输送至沉渣干燥区。在干燥区巾固相沉渣沿 锥形面移动，最后沉渣从卸料孔抛入收集器中。清液从相反方向分离液排口排出，螺旋 和转鼓都在转动，但转动速度有一定的差别，这就可以保证物料能过顺利排出分离机。 图1 2 螺旋卸料沉降离心机 f i 9 1 2s c r o l ld i s c h a r g es c r e e nc e n t r i f u g 一 螺旋沉降离心机的特点：可连续操作，分离因数大( 可达6 0 0 0 ) ，转鼓和螺旋的转 速差一般在0 5 4 ，分离性能较好。适应能力强，对进料浓度的变化不敏感，操作温 度范围较大一般可以从1 0 0 3 0 0 ，操作压力般为常压，可分离固相浓度范围广， 可以达到1 5 0 ，处理量大。 这类离心机分离因数范围广，转鼓长径比范用人，转鼓液池深度可调，应用范围广， 可以完成易分离悬浮液的脱水、难分离悬浮液的澄清、液液固三相混合物的分离及固 相颗粒粒度的分级： ( 1 ) 对易分离物料的固相脱水，可以得到含液量较低的同体。对爿j 些用过滤机和过 滤离心机不能进行分离或分离效果极差的物料，可通过选用适当的螺旋离心机来完成分 离过程。 ( 2 ) 颗粒粒度较小的悬浮液的分离采用高分离冈数、大长径比的螺旋离心机来完成。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 对于液液一固三相混合物的分离，固相浓度大的液一液固三相悬浮液及固相介于 两种液相之间的三相混合物，也可以用螺旋离心机来完成。沉渣的含湿量较低，自动化 程度高，操作环境好 2 5 】。缺点：结构复杂， 1 3 2 碟式分离机 碟式分离机是沉降式离心机中的一种类型，用于分离难分离的物料，分离机中的碟 式分离机是应用最广泛的沉降式离心机1 2 6 1 。 碟式分离机是立式离心机，转鼓装在立轴上端，通过传动装置由电动机驱动而高速 旋转。转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件一碟片，碟片与碟片之间留有很小的 间隙。悬浮液( 或乳浊液) 由位于转鼓中心的进料管进入转鼓。当悬浮液( 或乳浊液) 流过碟片之间的间隙时，固体颗粒( 或液滴) 在离心力作用下沉降到碟片上形成沉渣( 或 液层) 。沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位，分离后的液 体从出液口排出转鼓。积聚在转鼓内的固体在分离机停车后拆开转鼓由人工清除，或通 过排渣机构在不停车的情况下从转鼓中排出。 碟式分离机的特点：分离机结构紧凑，占地面积小，生产能力大，适于液固也适 于液- 液分离，因而在化工、医药、轻工食品生物工程以及交通运输部门都获得广泛的 应用。碟式分离机的缺点是结构复杂，转速高，因而对操作和维护保养的要求比较高， 清洗比较困难。孙步舟等2 7 3 卅人采用碟片式分离机对黄河水进行水砂分离，还对旋流器 和碟片式分离机串联性能进行了一定的研究。 1 3 3 管式分离机 这种分离机的转鼓直径较小而长度较长，形状如管，故称管式分离机。转鼓的转速 高，通常适用于固体含量低于1 、固体颗粒小于5 岬及固体与液体的密度差很小的悬浮 液的澄清，也适用于轻液与重液的密度差小且分散性很高的乳浊液的分离。因其转速可 高达1 0 0 0 0 3 0 0 0 0 r m i n ，分离因数可高达1 5 0 0 0 6 5 0 0 0 ，在各行业中应用非常广泛。比 如：润滑油的净化、口服液的提纯、血液制品业、生物制品业、饮料业、制药行业、食 用油业、煤焦油的净化【“。 分离机的转鼓上悬支撑，上部转动，是挠性轴结构，转鼓重心远低于轴的支点，运 转时能自动定心，工作平稳。乳浊液或悬浮液自转鼓下端加入被转鼓内纵向筋板带动与 转鼓同速旋转，乳浊液被分离为轻、重液层，重液层在外，轻液层在内，分别自转鼓顶 端的轻、重溢流口排出。分离悬浮液或含固体颗粒的乳浊液时，固体颗粒沉降到转鼓壁 上形成沉渣，运行一段时间后，转鼓内聚集的沉渣增多，减少了转鼓有效容积。流体轴 向流速增大，分离液澄清度下降需要停机清楚转鼓内沉渣。 旋转叶轮式动态水力旋流器的性能研究 管式分离机的特点：分离因数大可达到1 5 0 0 0 6 5 0 0 0 ，是沉降式离心机中分离因数 最高的。缺点：要定期对转鼓进行清理，处理量较小。 1 4 分离机械的工艺参数 分离机械的工艺指标通常通过三个方面来衡量生产能力、分离效果，以及能量耗损。 生产能力通常指的就是单位时间的处理量；对于分离效果的衡量有很多的指标，如衡量 旋流器分离效果的指标有分离效率和修正分离效率、分级效率和修正分级效率、分离粒 度与分级精度等；能量耗损通常指的是消耗外部动力的大小，如电机功率，压力损失等。 1 4 1 生产能力 生产能力是指单位时间内一台设各处理料液的体积量。对于水力旋流器这种分离设 备，正确的估算水力旋流器的生产能力是设计分离系统的一个重要方面，并且有一个问 题需要清楚的是固液分离用旋流器在使用过程中，底流口的固体颗粒一般在大气压条件 下卸料，旋流器的生产能力的大小取决于设备尺寸、物料性质以及进料口的压力。也就 是说一定尺寸的旋流器，在一定的物料性质，只要压力一定，则生产能力就一定。此时 旋流器的生产能力是一种性能参数。对于液液水力旋流器，生产能力随着入口压力的 变化在一定范围内变化，这个范围可以由以下两个方面来决定：为了产生足够的离心强 度，必须使旋流器内的表观流速达到一定的数值，这个条件决定了旋流器的处理量的下 限；另一方面，如果通过旋流器的体积流量超过一定的限度，则旋流器内流体的剪切力 则会太大以致于原来较大的分散相液滴破碎成较小的液滴，反而使分离能力降低。在这 两个流量之间区域称之为旋流器的高效区。 当旋流器的进料管内径为d i 时，旋流器的生产能力为 9 = 兰矿( 1 1 ) 一 4 9 一旋流器的生产能力 卉旋流器的入口管直径 形进料管中物料的平均流速 对于旋流器的生产能力的计算主要有两种方法：理论计算法和经验关联式法。 理论计算法：一种是基于最大切线轨道面法，另一种是空气柱面法。 根据庞学诗【3 0 j 结果可得生产能力的计算式： 大连理工大学硕士学位论文 q = 三印k - 2 6 9 观 ( 1 2 ) d 、zj 吃分别为旋流器直径、溢流管直径 瓴最大实际压力降 成料液的密度 通常，水力旋流器结构参数导 1 ，所以对上式进行简化可得 以f 蚪1 d o 3 6 矿z 挣 ( 1 3 ) 波瓦洛夫3 2 】提出基于空气柱界面法的生产能力的计算 q = 3 k 吃4 卸。 ( 1 4 ) 如旋流器直径修正系数，= o 8 + i 五； 屹旋流器锥角修正系数，k = o 7 9 + 面羔； 口锥角( 。) 1 9 8 2 年，拉莫夫对波瓦洛夫生产计算式进行修正，将瓴( 压力降) 改为旋流器的 入口压力穰，修正后的公式为： q = 3 k d k ，d o d p | u 勘 经验关联式法： 在一些文献里，将水力旋流器的生产能力写成如下形式【3 l ，3 2 ，3 3 】 q ：2 7 9 8 k ( z 吃) m ，垒羔 ( 1 6 ) 聊指数，一般认为聊= 1 k 与摩擦系数力，以及旋流器几何尺寸( 直径d ，高度三，几何因子 鲫关的系躲压 旋转叶轮式动态水力旋流器的性能研究 经验关联式法，在不同时期针对不同的工况，很多人都提出了不同的计算式，常见 的有以下几个：dad a l l l s t r o m 计算式删是dad a l l l s t r o m 对直径为2 2 5 m m 、锥角为2 0 。，进料体积浓度在8 的悬浮液的实验基础上的出来的；l r p l i t t 计算式【3 5 】该公式 是在直径为3 1 7 5 m m ，6 3 5 m m ，1 5 2 4 n l n l ，旋流器实验而得到的生产能力计算式；l y n c h 和r a o 的计算式【3 6 】该公式是在1 0 2 c m 、1 5 2 c m 、2 5 4 c m 、3 8 1 c m 的k r e b s 型水力旋流 器，颗粒质量浓度在3 5 7 5 的情况由实验数据回归而得到的。a n e r b 啪计算式、 m u l a r 和j u l l 计算式吲是在k r e b s 型旋流器的大量实验数据的基础上建立起来的。 从大量的水力旋流器生产实践资料的考核和验证结果看出生产能力的理论计算法 的计算值同实际值相当吻合。其中准确性和适应性最好的是最大切线速度轨道面法，其 次是空气柱面法。总体上讲，生产能力的理论计算法的计算值与实际值相当吻合，而经 验计算法的准确性和适用性不如理论计算法。 1 4 2 分离指标 在分离指标中用到的有如下几个 ( 1 ) 分流比 分流比表示分散相料液排出口处的体积流量占进口体积流量的比值，在固液分离 中，分流比也叫流量比，定义为 ，：肇( 1 7 ) q 式中，q ，。为分散相料液排出口处的体积流量。在固液分离中，一般底流口为固体 颗粒的卸料口，而且直接与大气相接，这种工作方式决定了固液分离中分流比的大小 不是可以随便调节的，即使可以通过改变进出口管径等方式调节分流比，这种调节范围 也是相当有限；而且，如果底流口与溢流口尺寸的大小与进口料液中固体颗粒的浓度不 相匹配，很可能造成底流口处固体颗粒的堵塞而影响正常的操作。评价一台水力旋流器 性能的好坏，一方面要看其是否具有较高的分离效率，另一方面还要看是否有较小的分 流比，否则会有更多的次液流排出，而这部分液体仍存在二次净化的问题，因此这部分 的液量越小越好。另外，即使次液流到了一定的要求，但分流比过大也会使净化液体流 量变小，综合效益下降。 ( 2 ) 分离效率和修正分离效率 分离效率是衡量分离机械性能好坏，操作参数优劣的主要性能指标之一，也是衡量 整个分离过程完善程度的技术指标。在旋流器的分离过程中，分离效率是指，出口被分 离掉的分散相物料占进口分散相物料的质量百分数。旋流器的评定方法可以大致分为两 大连理工大学硕士学位论文 类：图示法和计算法。图示法是根据效率曲线的形状，来评定分离过程进行的完善程度。 它具有直观、形象、不受物料粒度组成限制。但处理过程复杂且无公认的定量标准；计 算法是根据旋流器分离过程中的产物质量测定结果，运用目前公认的效率计算式的计算 值来评定分离过程的完善程度。它具有处理过程简便和定量概念确切的特点，但会受到 颗粒粒度的影响，目前我国主要采用的是计算法。 其相应的公示如下： s ：堕( 1 8 )s = 上1 o ， 式中，聊。为底流口处分散相固体颗粒的质量流率，堙s ；聊为进口处分散相颗粒 的质量流率，堙s 。 修正分离效率的定义为扣除分流比的影响后的分离效率。通过旋流器的分离过程可 以知道，分离效率尽管能够反映真实的分离效果，但却不能完全的反映旋流器的净分离 能力。这是因为即使没有离心力场的作用，流体只是简单的从入口流入，然后从底流口 和溢流口流出，这个过程也是存在分离效率的。所以要想真正的反映旋流器的离心分离 性能的好坏，就要排出分流比的影响。 其相应的公示为 占，：生兰( 1 9 ) l j ( 3 ) 分级效率和修正分级效率 旋流器的分离效率不仅和结构参数、操作参数等有关，还与被分离的分散相的粒度 有关。因此不能单纯的用分离效率来衡量旋流器的分离能力，为此引出分级效率的概念。 所谓分级效率，就是指单一级别粒度颗粒的分离效率。对固液旋流器，如果假定进口料 液中的固相为单一粒度的颗粒，测定其分离效率，则当固相颗粒的粒度发生变化时，分 离效率的大小显然要发生变化，并将这种分离效率与固相颗粒粒度之间的变化关系画出 一条曲线，这种曲线就叫做分级效率曲线，表示分离效率和固相粒度之间关系的函数叫 做，分级效率函数，简称分级效率，记做g ( d ) 。分级效率也是评定旋流器分离性能的 重要指标【3 8 1 。 其公示可以表示为： g ( 班帮 ( 1 1 0 ) 式中，厂( z ) 、工( z ) 分别表示进料和底流中含z 粒度级别颗粒的质量百分数，即 粒度的质量微分分布，聊、以，分别表示进料和底流中分散相的质量。 旋转叶轮式动态水力旋流器的性能研究 类似于修正分离总率，考虑到旋流器分流比f 通常大于1 2 ，因此普遍用修正 分级效率来考察旋流器的分离效果。 g 仞) ：里竺! 二坐( 1 1 1 ) 1 一只， ( 4 ) 分离粒度与分级精度 分级效率曲线可以很好的反映分离效率与颗粒粒度的关系，不同的旋流器有不同的 分级效率，但是分离效率曲线的形状都差不多，因此为了更加简便的比较旋流器性能的 不同，就引入了分割尺寸的概念。所谓分割尺寸，就是选定分级效率曲线上特定点所对 应的横坐标值。表示的是在某一特定的分离效率下的分散相颗粒的直径。通常人们采用 分级效率曲线上分离效率为5 0 的点所对应的分散相颗粒的直径作为分割尺寸，记做 西o ，通常称为分离粒度。一般来说，分割尺寸和分离粒度通常是指修正分级效率曲线上 分离效率为5 0 所对应的颗粒粒度值站。分离粒度意义就在与它可以很直观的反映旋 流器的适用范围，分离粒度越小说明旋流器的分离能力就越强，可以分离的物料颗粒就 越小。分级效率曲线的陡度也是一个重要的指标，曲线越陡，说明旋流器的分级颗粒尺 寸就越集中，反之分级颗粒尺寸分散性就比较大。所以分级效率曲线的陡度可以反映旋 流器分级性能精度的高低。理想的情况是分级效率是一个阶跃函数，这样就可以从某一 粒度将颗粒严格分开。所以，分级效率曲线的陡度越大，分级效果就越好，分级精度就 越高。一般表示陡度的方法如下【3 9 】： j 4 5 7 5 = 孚 ( 1 1 2 ) “7 5 式中，马5 7 5 为陡度指数，吐，、西，分别是分级效率曲线上分离效率为2 5 和7 5 所 对应的颗粒直径。 1 4 3 压力损失 水力旋